Aspekte der synthetischen Biotechnologie

Abstract

Die synthetische Biotechnologie ermöglicht die rekombinante Produktion komplexester Naturstoffe mittels geeigneter, maßgeschneiderter, biologischer Systeme. Sie stellt eine Alternative zur konventionellen Naturstoffproduktion dar, bei der die Naturstoffe entweder über extraktive Verfahren aus den natürlichen Ressourcen isoliert werden oder mit rein chemischen Synthesen hergestellt werden. Die synthetische Biotechnologie ermöglicht die kontrollierte Produktion der Naturstoffe mit den passenden Enzymsystemen, die aus den entsprechenden Ursprungsorganismen ermittelt und in geeigneten Produktionsorganismen exprimiert werden. Die synthetische Biotechnologie nutzt die synthetische Biologie und die Bioprozesstechnik, um wirtschaftliche und nachhaltige Produktionsverfahren für hochkomplexe, biologische Komponenten zu ermöglichen und so die Biologisierung der chemischen Industrie voranzutreiben. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst beispielhafte Naturstoffe aus der großen Naturstoffklasse der Sesquiterpene für eine Bearbeitung im Sinne der synthetischen Biotechnologie ausgewählt. Die Enzyme, die an deren Synthese beteiligt sind, werden in einem synthetischen Biologieansatz untersucht, d.h. im Ursprungsorganismus identifiziert, rekombinant in E. coli exprimiert und mit diesem Stamm in löslicher und aktiver Form produziert. Eine eingehende Untersuchung der Reaktionswege und die Ermittlung der kinetischen Daten dieser Enzyme liefert die relevanten Informationen für eine biotechnologische Prozessgestaltung. Zum Beispiel können, wie gezeigt wird, die Stoffwechselwege zur Produktion des universellen Synthons Farnesyldiphosphat in den Produktionsstamm integriert werden, so dass sich die Sesquiterpene direkt aus der Kohlenstoffquelle produzieren lassen. Auch eine nachgeschaltete Konversion der produzierten Sesquiterpene zu Terpenoiden wurde am Beispiel der Oxidation von -Humulen zum antikanzerogenen Zerumbon untersucht. Neben den Arbeiten zur synthetischen Biologie werden im Bereich Bioprozessentwicklung verschiedene innovative Sensorikkomponenten, Prozesselemente und –technologien vorgestellt. So wird ein Sensorkonzept zur Biomasse¬bestimmung in Schüttelkolbenkulturen untersucht, das umfangreich evaluiert und für verschiedene Applikationen getestet wurde. Weiterhin werden Ansätze für eine Regelung von Bioprozessen schon im Schüttelkolbenmaßstab getestet, wofür ein 3D-gedruckter Dosageaufsatz als Kolbendeckel verwendet wird. Der 3D-Druck wird auch als Technologie zur Produktion maßgeschneiderter Bauteile für die Bioprozessentwicklung untersucht und die Biokompatibilität neuer Materialien getestet. Im Bereich der Produktaufarbeitung werden ver-schiedene Technologien wie die Membranchromatographie und der Einsatz von wässrigen Zweiphasensystemen für die Aufreinigung von Enzymen untersucht und auch innovative Ansätze wie die Layer-by-Layer-Modifikation von handelsüblichen Tiefenfiltern für spezifische Interaktionen mit Enzymen getestet. In einem abschließenden Prozessbeispiel werden Produktionsansätze auf klassisch-biotechnolo-gischer Basis synthetisch biotechnologischen gegenübergestellt. Anhand der Produktion des Flavonoids Phloretin durch Konversion des Flavonoids Naringenin werden zunächst Wege zur Realisierung des Prozesses auf Basis des Ursprungsorganismus untersucht. Die Etablierung eines ökonomischen Prozessablaufes gelingt letztlich aber erst nach rekombinanter Expression der beteiligten Enzyme in einem Produktionsorganismus. Zum einen können so unterwünschte Folgereaktionen unterbunden werden und zum anderen eine Hochzelldichtekultivierung realisiert werden, die eine ausreichende Volumenproduktivität gewährleistet, so dass der Prozess auf Basis dieses synthetisch biotechnologischen Ansatzes wirtschaftlich ist.